基于固氮保護的傳導冷卻高溫超導電磁除鐵器的制作方法

專利名稱：基于固氮保護的傳導冷卻高溫超導電磁除鐵器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種用于港口碼頭煤、火力發電廠或其他材料中清除鐵磁材料的電磁除鐵 器，尤其涉及一種利用固氮保護的傳導冷卻高溫超導電磁除鐵器。
技術背景在煤炭運輸領域，隨著煤炭資源的減少，其開采難度加大，造成其中所含雜物的增加。 而國際上對于出口煤炭純凈度的要求不斷提高，使得各大煤炭生產及運輸企業對于煤炭中 鐵性雜質去除率不斷提高。例如在清除料厚達到500mm左右的煤層中所含雷管、導火線等 極細小的物件(出口煤中對此有嚴格的要求其中雷管的含量不得超過3個/萬噸煤，超 過的按1000美元/個處以罰款，如果不能有效清除其造成的經濟損失是極為巨大的)，要 有效地清除這樣的物件其所要求的遠距離磁場需達到或超過4000G以上，使用常規的磁體 無論在電能消耗還是磁體本身的散熱處理上都存在較大的問題，如果引入超導磁體則可以 較好地解決這樣的問題，在我國己經在秦皇島港、青島等港口投入了實際工業應用。目前的電磁除鐵器大多數采用常規線圈，采用水冷、油冷、風冷、蒸發冷卻、熱管等 冷卻方式，磁場方向大多數為單一方向，磁場方向不可控制。相關專利很多，比較有代表 性的有下述幾種中國專利200710013332.3采用常規線圈，為單一方向的電磁除鐵器，由上 部磁軛、側部導磁板及底板相互焊接在一起構成除鐵器本體內腔，線圈內部采用導熱液體 強迫冷卻。專利89212992.1是一種油冷式電磁除鐵器，磁體采用外方內八角的磁系結構，常 規線圈，磁場單方向。專利01257542.9是一種新型風冷自卸式電磁除鐵器。200410036257.9 是一種蒸發冷卻式電磁除鐵器。專利02263425.8采用常規線圈和導磁鐵軛結構，內部安裝由 云母片和熱管組成的散熱板散熱。專利88105470.4是一種內部安裝熱管散熱、單方向、常 規線圈的電磁除鐵器，懸掛于輸送帶中部或者頭部上方。常規電磁除鐵器具有能耗高、磁 場強度較低的缺點，常規線圈可能利用的磁場梯度有限，因此將煤或其他物質中較弱磁性 的材料從中清理出來鐵效果較差。為了解決常規線圈的不足，出現了采用超導磁體方案的超導除鐵器。到目前為止，超 導除鐵器的方案都見于國外的相關專利。U.K. Patent Application of Cohen和U.S. Pat. No. 2,064,377(1985)使用一對超導線圈在水平方向產生強磁場和磁場梯度進行除鐵。U.S Patent 4，609，109 (1986)的采用一個或一對超導線圈磁體，在垂直方向產生梯度磁場進行除鐵。 PCT/US96/15455采用脈沖超導磁體方案，可以在一個方向上產生較強磁場，但是工作區在 磁體封閉的空間內，工作區較為狹小。United States Patent 5,004,539、 4,609,109 3,942,643, 4,153,542， 4，668，383等這些超導線圈都工作在4K左右，采用低溫超導材料繞制，用液氦冷 卻，產生單一方向的磁場和磁場梯度。目前的超導除鐵器廣泛采用低溫NbTi超導體產生4-5T的中心高磁場，在離磁體550mtn 的距離范圍獲得4000G的磁場來吸引弱磁材料。這種方法雖然可以產生較高的磁場，但是存 在的主要問題是低溫超導磁體的臨界溫度較低，磁體不能實現快速充放電，磁體吸引鐵磁 材料后到卸下這些材料所要求的時間較長，因此除鐵效率較低。此外低溫超導磁體在極快 充放電情況下，非常容易失超，其恢復時間長度20天到一個月，嚴重影響系統的正常工作。 同時使用液氦冷卻的超導磁體系統通常運行和維護較為復雜，運行費用較高，因此在實際 的工業應用中面臨，運行和維護成本較高，系統的可靠性較差等許多的技術問題。目前低溫超導線NbTi/Cu臨界溫度和臨界磁場較低，因此電流的變化引起的交流損耗 將產生超導線圈的失超，這對于工業應用一港口碼頭運行的電磁除鐵器是相當不利的。傳 統的超導磁體， 一般是將超導磁體浸泡在低溫液體中。正是由于使用了低溫液體來冷卻超 導磁體系統，使得超導磁體的結構復雜、運行成本高，系統操作極其困難。使用這樣的系 統運行和操作非常不便。單一磁場方向除鐵器的缺點是作用在弱磁材料上的力只是單一方向，例如如果弱磁 性物質被壓在較大煤塊下面，即使在某一方向使用較大磁場強度有可能也很難將其清除出 來。發明內容為了克服現有的電磁除鐵器的磁場方向單一且不可控、常規線圈磁場提供的磁力較低 等不足，本發明提出一種采用固態氮保護的傳導冷卻高溫超導電磁除鐵器。 本發明具有以下特點1、 兩個超導磁體獨立安裝，磁體軸線正交，提供開放的工作空間，適用的領域更廣泛。2、 本發明兩個超導磁體分別供電，通過改變兩個方向線圈電流產生合成的不同方向的 磁場，在計算機的控制下可以實現區域的磁場掃描，實現高效率的除鐵。3、本發明利用高溫超導體具有較高的臨界參數特點，采用最先進的周態氮保護低溫技術，超導磁體穩定性較高，超導磁體充放電速度較快，從而使該除鐵器適合于復雜工業環境運 行。4、 本發明采用傳導冷卻方式，采用GM制冷機提供冷量，冷卻固態氮和超導線圈。5、 本發明使用高飽和的鐵磁材料作為鐵芯，能夠提供較高磁力,.同時能夠進一步減小 磁體端部的徑向磁場和高溫超導帶材的最大磁場，從而減小大口徑超導線圈的環向應力和 應變，進一步提高磁體的電流傳輸特性及磁體的穩定性，運行更加可靠。本發明的高溫超導除鐵器由兩個獨立的超導磁體、兩個程控超導電源、磁場解算及狀 態監測計算機組成。每個超導磁體包括高飽和磁場的導磁鐵軛、低溫制冷系統、低溫容器、 高溫超導線圈、高溫超導電流引線、熱輻射屏、液氮容器、固氮容器以及位于高溫超導磁 體系統內部的失超檢測與保護結構組成。本發明固態氮保護的高溫超導電磁除鐵器的核心部件是兩個方向布置的超導磁體。兩 個超導磁體的線圈軸線相互正交，磁場區為開放空間。磁體除了線圈放置方向和低溫容器 形狀不同，結構基本是相同的。水平向超導磁體的導磁鐵軛呈"E"形結構包圍磁體，垂直向超導磁體的導磁鐵軛呈"M" 形結構包圍磁體，導磁鐵軛中間部分插入磁體室溫孔徑，其余部分將磁體包圍起來，用于 收集發散的磁場。導磁鐵軛的制作材料選擇飽和磁密高、磁導率高的材料， 一般選擇坡莫 合金復合軟磁材料。低溫系統包括低溫容器、內熱輻射屏、液氮容器和固氮容器。低溫容器采用無磁不銹 鋼材料制作。熱輻射屏置于低溫容器內，由鑿有通氣孔的多層鋁箔制作而成。超導磁體內 部的失超檢測與保護結構位于熱輻射屏上端蓋之下。液氮容器位于低溫容器和熱輻射屏之 間，液氮容器的上部通孔分別接室溫液氮注入和排出孔，液氮容器的下部通孔連接固氮容 器的液氮注入和排出孔。固態氮容器位于熱輻射屏內。高溫超導線圈和線圈支持結構位于 固氮容器內，由低溫固態氮保護。本發明的低溫制冷系統采用兩級GM制冷機提供低溫冷量。磁體的冷頭法蘭外接GM制 冷機，GM制冷機的一級冷頭冷卻熱輻射屏，二級冷頭通過導熱帶超導線圈相連。 一級冷頭 冷卻溫度在77K, 二級冷頭溫度為4K，磁體的工作溫度為4.2K 30K。 GM制冷機的冷頭和 超導線圈的低溫系統之間采用高純銅導冷線軟連接以減小線圈和制冷機二級冷頭之間的溫 差。高溫超導線圈和低溫超導NbTi線圈相比具有較高的臨界溫度和磁場，因此超導磁體系 統具有較大的抗干擾能力，避免因電流的變化產生的交流損耗而失超超導磁體。為了進一 步提高超導線圈運行的穩定性和較小低溫系統的運行耗費，本發明采用具有高熱容的固態 氮來減小超導線圈運行過程的溫度升高，從而減小制冷機時工作時間。超導線圈采用Bi2223高溫超導帶材制作，采用餅狀線圈結構，兩個單餅線圈采用一根 超導帶材繞制構成雙餅線圈，雙餅線圈的兩個單餅之間使用厚度為0.5 1毫米的環氧片夾 層，以提高超導線圈之間的絕緣，從而提高它們的耐高電壓的能力。雙餅線圈的兩個單餅 之間使用開有間隙的高導熱銅片，提高冷卻效果。超導線圈使甩高導無氧銅(OFHC)材料 作為骨架。高溫超導餅狀線圈疊加，產生所需要的高磁場。如果產生3T的中心磁場，需要 IO個以上的雙餅線圈串聯起來。在雙餅超導線圈之間安裝銅片導熱，形成較好的冷卻效果。 Bi2223高溫超導帶材具有較高上臨界磁場，防止高溫超導線圈在快速充電時的失超，增加 磁體運行的穩定性。Bi系高溫超導帶材運行在20K,有較大的溫度裕度和較小的AC損耗， 使得超導磁體系統在電流快速變化的情況下超導磁體系統運行穩定。超導線圈運行在30K以 下的極低溫環境，采用固態氮保護，固態氮能夠提高超導線圈的熱容，具有較高的穩定性。 整體超導線圈建造成功之后，采用真空浸漬環氧樹脂工藝處理，對線圈進行加固，從而進 一步消除超導線圈產生的電磁力，提高超導磁體的穩定性。計算機和超導電源保證磁體正常供電和勵磁。兩個超導電源分別與超導磁體連接。電源的電流輸出受控于計算機。計算機控制系統有兩項功能， 一是對于兩個磁體的運行電流 進行解算，控制程控電源給線圈供電，從而實現所需的磁場方向；二是收集磁體運行溫度、 失超保護等相關數據，實現磁體系統的監控和保護。 本發明的工作過程如下-除鐵器工作時，先把超導磁體抽真空到10—4Pa，然后制冷機工作，注入液氮，進一步冷 卻到20K，固氮容器的液氮凝固成固態，磁體通電運行。在煤炭傳輸帶經過磁場工作區時， 通過計算機控制系統調整運行電流，使工作區磁場方向按一定規律變化，在平面內產生不 同方向的電磁力，從而能夠從不同方向將弱磁物質分離出來。此外，本發明也可以用于選 礦，使得鐵磁材料的礦物質和非磁性雜質分離。計算機和程控電源的磁場解算過程和控制過程第一步根據磁場要求，計算機求解電流。空間內任一點P (P， Z)的磁場強度，根據橢圓積分法求解螺線管磁場5z(尸)=^ f ,必f2 /z(A z)必= / Fp(x,y，z)其中Bz—磁場的軸向分量； BP—磁場的徑向分量； L—螺線管的半長度； Rl—螺線管的內徑； RI—螺線管的外徑；200710176105.2 /如》<formula>formula see original document page 7</formula>柳<formula>formula see original document page 7</formula>，K (k)， E (k)為模數為k的第一類和第二類橢圓積分:i五("=J^U2 sin2 由水平和垂直兩個方向線圈產生的空間合成磁場》在笛卡爾坐標系下展開:"一5 =5 +寫成矩陣形式5,,義.系數矩陣中的參數和線圈本身參數有關，可以通過計算機數值積分實時得到。給定場強IBI大小和方向可以求得兩個方向的分量Bx叫BI畫，By=|B|coscp，從而電流密度Jx， Jy可以解積分方程得，根據螺線管線圈電流密度 2/(/ 2-/ l)， N為線圈匝 數，從而對應的電流Ix， Iy可以求得。上述計算通過編寫計算機軟件，由磁場解算計算機完 成電流計算。第二步，通過計算機串行接口與直流程控電源連接，直流程控電源根據計算機串口數 據決定加載電流的大小。本發明選用的直流程控電源是智能化的程控電源，其輸出電流值 可以通過串行口由計算機控制。第三步，直流程控電源加載電流給線圈，實現所需要的磁場。 本發明固態氮保護的高溫超導電磁除鐵器與以往的除鐵器具有明顯的優點。 采用兩個方向獨立的超導磁體結構，分別供電，在計算機的控制下，產生不同方向的 磁場掃描除鐵器工作區，能夠從不同方向有效地將弱磁物質分離出來。采用高溫超導帶材繞制線圈，當前主流的高溫超導帶材為Bi系超導帶材，在4K的溫度范圍其電流密度具有Jc=105-106A/cm2，從而產生較高的磁場。在4K溫區運行的高溫超 導磁體能夠充分利用4 K溫區的制冷機成熟的技術，同時又可充分利用高溫超導體的載流 能力和超導帶材的高熱導、熱容，因此高溫超導磁體具有較高的穩定性。由于高溫超導材 料具有較高的臨界溫度，因此基于高溫超導材料發展的磁體系統能夠承受較高的溫度波動， 超導線圈能夠在快速變化的電流條件下運行而不會產生失超行為。采用傳導冷卻的超導磁體，使其結構簡單，系統操作方便，無需低溫液體冷卻，不受 液氦或其它低溫條件的限制，整個超導磁體系統具有結構緊湊和輕量化的特點。采用固態氮保護超導磁體，充分利用固態氮具有較高的熱容從而較小系統在快速升溫 和降溫過程中的溫度漂移，提高磁體系統在除鐵過程中的磁體穩定性能，從而大大提高系 統的運行可靠性，同時使得系統的運行費用極大地減小，系統運行和操作更加方便。


圖l是整個固氮保護高溫超導除鐵器組成結構示意圖，圖中l磁場控制計算機，2垂 直向程控電源，3水平向程控電源，4垂直向超導磁體，5水平向超導磁體，6煤層，7傳送 帶；圖2是垂直方向超導磁體4結構示意圖，圖中7法蘭、8—級冷頭、9高溫超導電流 引線、IO二級冷頭、ll導冷帶、12液氮容器、13失超保護裝置、14餅式線圈、15固氮容 器、16熱輻射屏、17低溫容器、18導磁鐵軛；圖3a為水平方向超導磁體5結構圖，圖3b為水平方向磁體右視圖(不含導磁鐵軛)；圖4a優化后磁體參考外形,19優化后的超導線圈，20導磁鐵軛。圖4b在550mm距離上， 磁體相關尺寸優化后徑向磁場分布圖。
具體實施方式
下面結合附圖和具體實施方式
對本發明作進一步說明。圖l是本發明固氮保護高溫超導除鐵器組成結構示意圖。本發明固氮保護高溫超導除鐵 器由磁場控制計算機l、垂直向程控電源2、水平向程控電源3、垂直向超導磁體4、水平向 超導磁體5組成，可以將傳送帶7上的煤層6中的鐵磁雜質分離出來。磁場控制計算機l完成磁場解算和狀態監測功能。磁場控制計算機l串口與兩個程控超 導電源2和3的串口連接。兩個程控超導電源2和3分別給超導磁體4和5供龜。垂直向超導磁 體4位于傳送帶6上部垂直位置，水平向超導磁體5位于傳送帶6側面水平位置。超導磁體3、 4內部線圈軸線相互垂直，在磁軸平面內構成空間工作磁場。通過磁場控 制計算機1調整程控電源2和3電流的大小，從而控制工作空間磁場的方向和大小。在傳送帶 6不斷的前進中，線圈產生的磁場和位于煤層6下面的微小的弱磁性材料的枏互作用產生電
磁力，從而將弱磁物質分離出來。圖2所示是垂直向超導磁體4的結構。垂直向超導磁體4用于提供垂直方向的磁力。超導 磁體4外部由"M"形導磁鐵軛18包圍，導磁鐵軛18插入低溫容器17的室溫孔中。超導磁體4的組成結構從外到內為低溫容器17、液氮容器12、熱輻射屏16、固氮容器 15、餅式線圈14。液氮容器12安裝在熱輻射屏16蓋板上，熱輻射屏16通過環氧拉桿吊在低 溫容器17內部，固氮容器15通過環氧拉桿吊裝在熱輻射屏16內部，餅式線圈14安裝在固氮 容器15內部。低溫容器17保持系統的運行溫度。低溫容器17為圓柱形，有室溫通孔，用于放置導磁 鐵軛18。液態氮容器12位于低溫容器17和熱輻射屏16之間，用于保護熱輻射屏16的溫度不 會升高。磁體3的制冷部分是通過GM制冷機提供冷量，GM制冷機安裝在法蘭7上。制冷機 一級冷頭8冷卻低溫容器的熱輻射屏16。 二級冷頭10冷卻超導線圈14和固氮容器15內的固態 氮，以及高溫超導電流引線9。制冷機將超導線圈的溫度降低到超導體的運行溫度20K。固 氮容器15內的固態氮用于保證超導線圈14使其在電流變化時系統不會失超。餅式高溫超導 線圈14通過導冷帶11與二級冷頭10相連，保證磁體3的運行溫度。高溫超導電流引線9通過 一塊導冷板安裝在二級冷頭10位置，在磁體3降至運行溫度20K后，通過高溫超導電流引線9 給磁體3通電。失超保護裝置13位于熱輻射屏16下端蓋，對磁體3進行失超保護。圖3所示是水平向超導磁體5的結構。水平向超導磁體5用于提供水平方向的磁力。水平 向超導磁體4結構與垂直方向超導磁體4結構相同。線圈14水平放置，低溫容器17設計上要 適應線圈的安裝，采用水平圓柱體和垂直圓柱體無縫焊接的結構工藝，如圖3b,低溫容器 17的上部為豎直的圓柱體結構，下部為水平放置的圓柱體結構，水平放置的圓柱體結構中 間有室溫孔。水平向超導磁體外部由"E"形導磁鐵軛18包圍。下部的水平圓柱體結構中間 的室溫孔用于放置導磁鐵軛18。兩個超導線圈3、 4軸線相互垂直，保證產生兩個獨立方向的磁場，并消除磁場相互影 響。在磁場控制計算機l的控制下，通過調整兩個超導線圈3、 4電流，在工作區平面內可以 產生任意方向的磁場，達到不同方向除鐵的效果。圖4a是優化后磁體參考外形，為磁體結構四分之一剖視圖，優化后的超導線圈19為薄 壁型結構，周屈為導磁鐵軛20。圖4b是在550 mm距離上，磁體相關尺寸優化后的一個實施 實例徑向磁場分布圖。從圖4b上可以看出，對于單個磁體而言，在550 mm距離上，場強超 過0.2T的區域半徑超過0.6m，即有效工作區域面積能達到li^以上，能夠很好的滿足除鐵需 要。
權利要求
1、一種高溫超導電磁除鐵器，包括超導磁體、程控電源、計算機(1)，每個超導磁體包括高飽和磁場的導磁鐵軛(18)、低溫制冷系統、低溫容器(17)、高溫超導線圈、高溫超導電流引線、熱輻射屏(16)以及位于高溫超導磁體系統內部的失超檢測與保護結構，其特征在于垂直向和水平向兩個超導磁體(4、5)的螺管線圈軸線相互垂直，分別由兩臺程控電源(2、3)供電；在磁軸平面內構成空間工作磁場；垂直向超導磁體(4)外部由“M”形導磁鐵軛(18)包圍，導磁鐵軛(18)插入低溫容器(17)的室溫孔中；水平向超導磁體(5)外部由“E”形導磁鐵軛(18)包圍，水平向超導磁體(5)下部的水平圓柱體結構中間的室溫孔放置導磁鐵軛(18)；低溫容器(17)為圓柱形，低溫容器(17)有室溫通孔，用于放置導磁鐵軛(18)；液態氮容器(12)位于低溫容器(17)和熱輻射屏(16)之間，液氮容器(12)安裝在熱輻射屏(16)蓋板上，熱輻射屏(16)吊裝在低溫容器(17)內部，固氮容器(15)吊裝在熱輻射屏(16)內部，餅式線圈(14)安裝在固氮容器(15)內部；磁場控制計算機(1)串口與兩個程控超導電源(2)和(3)的串口連接，磁場控制計算機(1)調整程控電源(2)和(3)電流的大小，從而控制工作空間磁場的方向和大小。
2、根據權利要求l所述的高溫超導電磁除鐵器，其特征在于磁場控制計算機(1)和兩 臺程控電源(2、 3)的磁場解算過程和控制過程如下-第一步根據磁場要求，計算機(1)求解電流Ix， Iy;第二步，直流程控電源(2、 3)根據計算機(1)串口數據決定加載電流的大小； 第三步，直流程控電源(2、 3)加載電流給超導磁體線圈，實現所需要的磁場。
全文摘要
一種高溫超導電磁除鐵器，包括超導磁體、程控電源、磁場控制計算機(1)。垂直向和水平向兩個超導磁體(4、5)的螺管線圈軸線相互垂直，分別由兩臺程控電源(2、3)供電；在磁軸平面內構成空間工作磁場。液態氮容器(12)位于低溫容器(17)和熱輻射屏(16)之間，液氮容器(12)安裝在熱輻射屏(16)蓋板上，熱輻射屏(16)吊裝在低溫容器(17)內部，固氮容器(15)吊裝在熱輻射屏(16)內部，餅式線圈(14)安裝在固氮容器(15)內部。磁場控制計算機(1)串口與兩個程控超導電源(2)和(3)的串口連接，磁場控制計算機(1)調整程控電源(2)和(3)電流的大小，從而控制工作空間磁場的方向和大小。
文檔編號H01F6/00GK101130179SQ20071017610
公開日2008年2月27日 申請日期2007年10月19日 優先權日2007年10月19日
發明者王厚生, 王春忠, 王秋良 申請人:中國科學院電工研究所